Unicentre CH-1015 Lausanne http://serval.unil.ch Year : 2013 Molecular genetics of ocular diseases Venturini Giulia Venturini Giulia, 2013, Molecular genetics of ocular diseases Originally published at : Thesis, University of Lausanne Posted at the University of Lausanne Open Archive. http://serval.unil.ch Droits d’auteur L'Université de Lausanne attire expressément l'attention des utilisateurs sur le fait que tous les documents publiés dans l'Archive SERVAL sont protégés par le droit d'auteur, conformément à la loi fédérale sur le droit d'auteur et les droits voisins (LDA). A ce titre, il est indispensable d'obtenir le consentement préalable de l'auteur et/ou de l’éditeur avant toute utilisation d'une oeuvre ou d'une partie d'une oeuvre ne relevant pas d'une utilisation à des fins personnelles au sens de la LDA (art. 19, al. 1 lettre a). A défaut, tout contrevenant s'expose aux sanctions prévues par cette loi. Nous déclinons toute responsabilité en la matière. 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Département de Génétique Médicale Molecular genetics of ocular diseases Thèse de doctorat ès sciences de la vie (PhD) Présentée à la Faculté de Biologie et de Médicine de l’Université de Lausanne Par Giulia Venturini Diplômée en Biotechnologie Médicale Université de Florence, Italie Jury Prof. Christian Widmann, Président Dr. Carlo Rivolta, Directeur de thèse Dr. Carmen Ayuso, Expert Prof. Sandro Banfi, Expert LAUSANNE 2013 Merci Ce travail de thèse a été réalisé entre Février 2009 et Juin 2013 au sein du Département de Génétique Médicale de l'Université de Lausanne, dans le groupe du Dr. Carlo Rivolta. Je voudrais d'abord remercier le Dr. Carlo Rivolta de m'avoir accueillie dans son groupe de recherche et de m'avoir donnée la confiance nécessaire pour mener indépendamment les projets de recherche dans lesquels j'ai été impliquée. Je tiens également à remercier tous les membres passés et présents de son équipe de recherche, Alessandro, Paola, Hanna, Adri, Goranka, Laurent, Natacha, Petra, Stephanie, Alexandra, Koji, Pietro, Kostas, et Rosanna, pour avoir crée une ambiance si agréable et pour avoir contribué chacun différemment à la réussite de ma thèse. Merci à tous les autres membres du Département de Génétique Médicale et en particulier à Hanna, Chrysanthi, Estelle et Nadya pour leur amitié et leur soutien au cours de ces années. Je tiens également à remercier le Dr. Eliot L. Berson du Massachussets Eye and Ear à Boston, une personne d’une grande expérience et disponibilité, avec qui cela a été un plaisir de travailler. Merci au Dr. Alexandre Moulin de l'Hôpital Ophtalmique Jules-Gonin à Lausanne qui m'a appris beaucoup de choses sur les tumeurs de l'œil et avec qui il a toujours été intéressant de discuter. Merci également au Professeur Shomi S. Bhattacharya et ses Post-Doctorants Anna M. Rose et Amna Z. Shah de l'University College à Londres pour leur contribution au projet de PRPF31. Je remercie également les Professeurs C. Widmann et S. Banfi ansi que le Dr. C. Ayuso pour leur participation à mon jury de thèse. Mes plus grands remerciements vont à mes parents et à ma soeur, qui m’ont toujours encouragée afin d’atteindre mes objectifs. Merci à mes amis de Florence, Sara, Anna, Susy, Gine, Caro, Ire, Silvia, Giulia et Cate, et tous les amis que j'ai rencontré à Lausanne, en particulier Francesca, Loredana, Anna, Sev & Lolo, Carmen & Alberto, Vlasta, Hadi, Caroline, Stefano, Danilo, avec qui j’ai passé de bons moments. Enfin, merci à l'amour de ma vie, Luca, pour son soutien inconditionnel. Abstract The eye is a complex organ, which provides one of our most important senses, sight. The retina is the neuronal component of the eye and represents the connection with the central nervous system for the transmission of the information that leads to image processing. Retinitis pigmentosa (RP) is one of the most common forms of inherited retinal degeneration, in which the primary death of rods, resulting in night blindness, is always followed by the loss of cones, which leads to legal blindness. Clinical and genetic heterogeneity in retinitis pigmentosa is not only due to different mutations in different genes, but also to different effects of the same mutation in different individuals, sometimes even within the same family. My thesis work has been mainly focused on an autosomal dominant form of RP linked to mutations in the PRPF31 gene, which often shows reduced penetrance. Our study has led to the identification of the major regulator of the penetrance of PRPF31 mutations, the CNOT3 protein, and to the characterization of its mechanism of action. Following the same rationale of investigating molecular mechanisms that are responsible for clinical and genetic heterogeneity of retinitis pigmentosa, we studied a recessive form of the disease associated with mutations in the recently-identified gene FAM161A, where mutations in the same gene give rise to variable clinical manifestations. Our data have increased the knowledge of the relationship between genotype and phenotype in this form of the disease. Whole genome sequencing technique was also tested as a strategy for disease gene identification in unrelated patients with recessive retinitis pigmentosa and proved to be effective in identifying disease-causing variants that might have otherwise failed to be detected with other screening methods. Finally, for the first time we reported a choroidal tumor among the clinical manifestations of PTEN hamartoma tumor syndrome, a genetic disorder caused by germline mutations of the tumor suppressor gene PTEN. Our study has highlighted the heterogeneity of this choroidal tumor, showing that genetic and/or epigenetic alterations in different genes may contribute to the tumor development and growth. Résumé L'œil est un organe complexe, à l’origine d’un de nos sens les plus importants, la vue. La rétine est la composante neuronale de l'œil qui constitue la connexion avec le système nerveux central pour la transmission de l'information et qui conduit à la formation des images. La rétinite pigmentaire (RP) est une des formes les plus courantes de dégénérescence rétinienne héréditaire, dans laquelle la mort primaire de bâtonnets, entraînant la cécité nocturne, est toujours suivie par la perte de cônes qui conduit à la cécité complète. L’hétérogénéité clinique et génétique dans la rétinite pigmentaire n'est pas seulement due aux différentes mutations dans des gènes différents, mais aussi à des effets différents de la même mutation chez des individus différents, parfois même dans la même famille. Mon travail de thèse s’est principalement axé sur une forme autosomique dominante de RP liée à des mutations dans le gène PRPF31, associées souvent à une pénétrance réduite, me conduisant à l'identification et à la caractérisation du mécanisme d'action du régulateur principal de la pénétrance des mutations: la protéine CNOT3. Dans la même logique d'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'hétérogénéité clinique et génétique de la RP, nous avons étudié une forme récessive de la maladie associée à des mutations dans le gène récemment identifié FAM161A, dont les mutations dans le même gène donnent lieu à des manifestations cliniques différentes. Nos données ont ainsi accru la connaissance de la relation entre le génotype et le phénotype dans cette forme de maladie. La technique de séquençage du génome entier a été ensuite testée en tant que stratégie pour l'identification du gène de la maladie chez les patients atteints de RP récessive. Cette approche a montré son efficacité dans l'identification de variantes pathologiques qui n’auraient pu être détectées avec d'autres méthodes de dépistage. Enfin, pour la première fois, nous avons identifié une tumeur choroïdienne parmi les manifestations cliniques du PTEN hamartoma tumor syndrome, une maladie génétique causée par des mutations germinales du gène suppresseur de tumeur PTEN. Notre étude a mis en évidence l'hétérogénéité de cette tumeur choroïdienne, montrant que les altérations génétiques et/ou épigénétiques dans les différents gènes peuvent contribuer au développement et à la croissance tumorale. Table of contents Table of contents .................................................................................................................................. 3 Chapter 1 ............................................................................................................................................. 5 Introduction ...................................................................................................................................... 5 1.1 Anatomy and physiology of the human eye ............................................................................ 6 1.1.1 General anatomy of the eye ............................................................................................ 6 1.1.2 Physiological processes in the eye ................................................................................ 10 1.2 Inherited and multifactorial forms